汽车电池

2015-07-01

在底特律电力公司工作时，福特致力于改进内燃机，并想将内燃机用于制造汽车。他的老板反对他研究内燃机。他对福特说：“将来会是电动发动机的世界。内燃机死路一条。”

当时正处于电气技术革命时代，电力蓬勃发展。作为一个相对新鲜的概念，电力被寄予很高的期望。黑暗了数千年的城市的夜晚首次被电灯照亮，这很容易让人产生电力是能源的终极方案的幻觉。但福特冷静分析了电动机和内燃机的优缺点，认为它们各有优势，不能相互取代。

后来，爱迪生电力公司向福特提供了总监的职位，条件是放弃内燃机实验，全力投入他们认为有用的事情上。福特这时必须在汽车和工作之间做出选择。考虑之后他选择了汽车。并在后来创办了福特汽车公司。

福特的老板当年说的话其实并没有错，只是说的时间错了。现在，由于环境的污染和能源结构的变化，人们需要寻找清洁的替代能源。这一次，人们又一次把注意力转向了电动发动机。现在看来，电动机将在和内燃机的竞争中胜出，这似乎已没有什么悬念了。因为和福特的时代相比，现在的电动机已能做到小型化并且有令人满意的输出功率。但现在仍有一个和福特时代相同问题：蓄电技术并不令人满意。虽然现代电池技术取得了很大的进步，但电池能量密度仍然不够高，充电时间也过长。电动车使用的诸多不便，其实都是由于电池技术发展的滞后。

将来电动机将搭配何种电池技术呢？我们可以比较现有各种各样的电池技术。

一个有趣的问题是，现在为汽车做出技术路线的判断，是比福特当年更容易还是更困难呢？现在看来，福特当年的面临的问题可能更简单一些。但这可能犯了事后诸葛亮的视角错误。福特当年做出判断时，对于未来一无所知。现在我们面临的技术确实更为复杂，但是我们现在掌握的知识也更多。每个时代都有每个时代自己的问题。所以，这其实是个很难回答的问题。

锂电池： 锂电池是一类由锂金属或锂合金为阴极材料、使用非水电解质溶液的电池。现在的电动车，绝大多数使用锂电池。特斯拉，比亚迪，丰田等厂商制造的电动车都采用了这种电池技术，只是使用的锂合金不同。可能具体参数上会有差别，但它们有着共同的问题：能量密度太小，充电时间太长。这就使得现在的纯电动汽车有使用上的限制。汽车很大一部分质量是电池，有效载荷小；一次使用之后需要很长时间充电。

为了弥补纯电动车使用上的不便，汽车厂商提出了混合动力技术，就是在汽车上，同时搭载电动机和内燃机。由于，电动机在低速中更省油，又利于能量回收。这就达到了省油的目的。混合动力汽车已经大规模商用了。丰田是这种技术的领导者，第一辆商用混动车普锐斯已经在全球销售了十多年了。国内厂商中，比亚迪在这方面也有着不错的技术。今年比亚迪推出了一辆混合动力轿车：秦。

燃料电池： 燃料电池是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能转换成电能的电池。而最常见的燃料为氢 。燃料电池，因为有穏定的氧和燃料来源，以确保其运作供电。所以此电池的优点是可以提供不间断的稳定电力，直至燃料耗尽。

以氢为燃料，只会排放水，这样就没有污染。现在燃料电池的主要瓶颈在于，燃料电池高昂的价格，如何廉价地大规模制造氢气。日本车厂对于这条技术路线投入较大。丰田打算 2015 年推出燃料电池车。

金属空气电池： 金属空气电池和锂电池一样，也是一种化学电池，构造原理与锂电池相似，所不同的只是它的氧化剂取自空气中的氧。例如，铝空气电池，以铝为阳极，以氢氧化钠为电解液，氧为阴极。氧在阴极和铝反应，成为氧化铝，并留在阴极。

这种电池，能量密度大，质量轻，没有污染。当然它的问题是充电时间过长。但如果有巨大的能量密度，那么充电时间长的问题会得到缓解。比如，充电一次可以使用 5000 公里，和保养周期相同，那么可以在保养时更换电池。这样在使用上就没有什么不便了。

美铝加拿大公司和以色列公司 Phinergy 就实验了一辆装有这种铝空气电池的汽车，100公斤重的铝空气电池储存了可行驶3000公里的电量。

飞轮电池： 飞轮电池是一种机械储能电池，基本原理是将电能转化成飞轮转动的动能，并长期储存起来，在需要时可将飞轮转动的动能转换成电能。飞轮在真空容器中旋转，转速可以达到每分钟40000到50000转，轴承为非接触式磁轴承。所以，飞轮储存的能量非常大，能量转换效率高，储能时间也很长。

飞轮电池的优点是：储能密度大，效率高，充放电速度快，无污染，体积小，重量轻，对环境温度要求不高，使用寿命长；缺点是现在的造价高。如果飞轮电池能够廉价化，这会是一个很完美的电池解决方案。

美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶600km，由静止到96km/h加速时间为6.5秒。

总的看来，混合动力会是过渡方案。燃料电池，金属空气电池，飞轮电池等新型电池技术应该是终极解决方案。石墨稀配合锂电池，能够大幅度改善电池的性能，这也可能是会是一种解决方案。

但是未来哪一种技术会胜出呢？或者是否会出现几种技术共存的局面呢？当然，现实中胜出的技术未必就是最好的技术。很多技术性能上可能相差不大，更多的是成本上的比较。而成本降低，则有赖于整个产业的完善。

个人而言，我对于飞轮电池有着更多的好感。这是一个优雅的解决方案：旋转的飞轮，通过电磁感应，把能量传递给转动的车轮。当然，仅仅优雅并不够，很多技术得到大规模应用仅仅是因为实用。

但无论使用何种技术，未来的汽车都应该会更清洁，方便，优雅。